【C919身邊人】副總師章駿：闖出民機(jī)材料應(yīng)用的新路子
文章來源：中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司 發(fā)布時間：2018-01-30
民機(jī)技術(shù)的發(fā)展主要表現(xiàn)在以下三個方面：一是航空發(fā)動機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，二是飛機(jī)主要系統(tǒng)的進(jìn)步，三是材料技術(shù)的進(jìn)步。“對于搞飛機(jī)的人來說，尤其是搞飛機(jī)總體的人來說，經(jīng)常說一代飛機(jī)一代材料。搞材料的人則經(jīng)常說一代材料一代飛機(jī)。這兩種說法有不同的出發(fā)點(diǎn)，但不管怎么說，我們都不難看出材料在飛機(jī)發(fā)展過程中所起的特殊作用。”在接受采訪時，長期從事材料和標(biāo)準(zhǔn)件應(yīng)用研究，參加過多型飛機(jī)的材料選用和材料國產(chǎn)化研究工作的C919大型客機(jī)副總設(shè)計(jì)師章駿首先為記者進(jìn)行了一次科普。
C919是如何選材的
章駿告訴記者：“從飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展來說，以金屬材料為代表的飛機(jī)，到波音777的時候，我個人認(rèn)為是發(fā)展到了一個頂峰。近年來，復(fù)合材料開始興起，它在解決飛機(jī)結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化和長壽命問題上有一定優(yōu)勢。”
C919應(yīng)該選用哪些材料？相關(guān)專家為此進(jìn)行了多次論證，提出了不同方案。“前期論證時，有一個方案是整機(jī)使用大約20%的復(fù)合材料，涵蓋中央翼和機(jī)翼。隨著型號研制工作的深入，在綜合考慮各方面情況之后，最終確定使用11.5%的復(fù)合材料，主要集中在機(jī)翼上的活動面，如襟翼、副翼、后機(jī)身、平尾和垂尾等。這11.5%的復(fù)合材料當(dāng)中，主要選擇了三大類：T800級碳纖維復(fù)合材料、T300級碳纖維復(fù)合材料以及玻璃纖維復(fù)合材料。我們常說的先進(jìn)復(fù)合材料特指T800級復(fù)合材料。在C919大型客機(jī)之前，中國航空制造業(yè)從未在批產(chǎn)型號中使用過這類材料。”
復(fù)合材料既然具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，為什么要降低使用率呢？對此，章駿解釋說：“復(fù)合材料確實(shí)是一個很不錯的實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)減重的路徑，但并不代表復(fù)合材料可以完全替代金屬材料實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)輕量化的目標(biāo)，用什么材料僅僅是手段，最關(guān)鍵的是要實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)輕量化這一核心目標(biāo)。通過對金屬材料的純化和改進(jìn)，或者發(fā)展新型合金也能實(shí)現(xiàn)同樣的減重目標(biāo)。”
“另外，相比金屬材料，復(fù)合材料制造工藝更為復(fù)雜，更加難以控制，裝備體系和適航審定方法都要重新建立，成本巨大，周期漫長，需要較長時間的積累和投入。從我國的實(shí)際情況出發(fā)，復(fù)合材料應(yīng)用應(yīng)該一步一步來做。”
“2009年前后，鋁鋰合金進(jìn)入我們的視野。簡單來說，鋁鋰合金的優(yōu)勢在于添加了鋰元素之后，在材料總體性能提高的同時，密度降低了，因此能有效實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重這一目標(biāo)。目前，C919使用的鋁鋰合金主要包括兩大類三個牌號，一類是薄板，主要用來制造飛機(jī)蒙皮，還有一類叫做型材，主要用來制造長桁和地板支撐結(jié)構(gòu)件。”
在飛機(jī)材料的選擇上，中國商飛公司堅(jiān)持兩條腿走路，在充分運(yùn)用復(fù)合材料的基礎(chǔ)上又加入鋁鋰合金這一新材料，這一做法得到專家評審組的高度肯定。專家組認(rèn)為，新材料的使用既實(shí)現(xiàn)了減重收益，又確保風(fēng)險可控，走出了國內(nèi)民機(jī)材料應(yīng)用的一條新路子。
從規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)做起
如果把飛機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)的全過程比作一個金字塔，那么材料設(shè)計(jì)在整個環(huán)節(jié)中，尤其是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中就處于第一層或第二層的基礎(chǔ)位置。材料設(shè)計(jì)要通過大量的基礎(chǔ)性研發(fā)試驗(yàn)，為整個結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核給出許用值。
“在C919研發(fā)過程中，我們遇到了很大的挑戰(zhàn)。以前，我們在材料方面缺乏一套規(guī)范的體系，通過C919這個型號，我們探索建立了自己的材料規(guī)范體系。該體系得到國內(nèi)外主流材料供應(yīng)商的支持、配合和認(rèn)同。”章駿如是說。
說起來簡單，實(shí)際上，這樣一套完整規(guī)范的建立需要大量的試驗(yàn)驗(yàn)證來支撐。在章駿看來，材料試驗(yàn)非常瑣碎，但要求卻十分嚴(yán)格。舉個例子，光第一期的復(fù)合材料許用值工作就涉及21000多項(xiàng)試驗(yàn)件的制造和試驗(yàn)。每個試驗(yàn)件尺寸的測試值超過20處，可以想象制造的精細(xì)程度有多高，試驗(yàn)件檢測的工作量有多大。而這僅僅是許用值工作的起步階段，后續(xù)還有更大的工作量。
供應(yīng)商產(chǎn)品制造過程控制是另外一項(xiàng)龐大而復(fù)雜的工作。目前，材料與標(biāo)準(zhǔn)件專業(yè)共有國內(nèi)外供應(yīng)商100多家。“在材料供應(yīng)商管控上，我們采用的模式是多元化，充分競爭，盡可能杜絕唯一供應(yīng)商，引入充分競爭，一個材料規(guī)范下面一定有不只一個合格供應(yīng)商。我們通過深入產(chǎn)品生產(chǎn)過程控制來保證材料的質(zhì)量、合理的經(jīng)濟(jì)性以及科學(xué)的供貨周期，事實(shí)證明這樣的策略還是卓有成效的。”章駿介紹說。
“材料和標(biāo)準(zhǔn)件這個行業(yè)，雖然是一個基礎(chǔ)行業(yè)，但對于整個飛機(jī)供應(yīng)鏈的合理建立是有幫助的，甚至對控制飛機(jī)成本也相當(dāng)重要。引入充分競爭，材料成本可以有效降低。另外一個成本控制手段就是和供應(yīng)商簽訂長期協(xié)議。目前，在復(fù)合材料、鈦合金和常規(guī)鋁合金這三大類材料方面，我們都和主流供應(yīng)商簽訂了長期協(xié)議。可以這么說，我們實(shí)現(xiàn)了C919飛機(jī)的材料成本基本可以預(yù)測，這是民機(jī)制造和管理方面的一個巨大進(jìn)步。知道了材料成本，我們才能更加有效地進(jìn)行調(diào)控與管理成本。”
提高民機(jī)材料國產(chǎn)化水平
回首往昔，章駿感慨良多：“研制C919這些年，在民機(jī)材料和標(biāo)準(zhǔn)件領(lǐng)域，我想我的收獲比以前任何時候都要多。在民機(jī)研制中，由于面臨嚴(yán)格的適航審定要求，我們必須從正向設(shè)計(jì)的角度去考慮每一個技術(shù)決定，為什么是這個指標(biāo)，為什么要求這個指標(biāo)，怎么獲得輸入，怎么評價獲得的輸入是安全可靠的。經(jīng)過C919項(xiàng)目的探索和實(shí)踐，在材料和標(biāo)準(zhǔn)件專業(yè)領(lǐng)域，我們基本通過了考試。”
如今，隨著C919大型客機(jī)項(xiàng)目的深入發(fā)展，章駿的另外一個愿望也越來越強(qiáng)烈，那就是不斷提高民機(jī)材料的國產(chǎn)化水平——“經(jīng)過ARJ21和C919兩個型號，最大的收獲就是知道了材料標(biāo)準(zhǔn)件該怎么管。接下來的一件事情就順理成章了，那就是我們怎么幫助發(fā)展國產(chǎn)材料和標(biāo)準(zhǔn)件”。（林喆 文/上飛院供圖）
【責(zé)任編輯：李巨堯】
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